De toekomst vanelektro-optische modulatoren
Elektro-optische modulatoren spelen een centrale rol in moderne opto-elektronische systemen en spelen een belangrijke rol in vele vakgebieden, van communicatie tot quantum computing, door de eigenschappen van licht te reguleren. Dit artikel bespreekt de huidige status, nieuwste doorbraken en toekomstige ontwikkelingen op het gebied van elektro-optische modulatortechnologie.
Figuur 1: Prestatievergelijking van verschillendeoptische modulatortechnologieën, waaronder dunnefilmlithium niobaat (TFLN), III-V elektrische absorptiemodulatoren (EAM), op silicium gebaseerde en polymeermodulatoren in termen van invoegingsverlies, bandbreedte, stroomverbruik, grootte en productiecapaciteit.
Traditionele siliciumgebaseerde elektro-optische modulatoren en hun beperkingen
Op silicium gebaseerde foto-elektrische lichtmodulatoren vormen al jaren de basis van optische communicatiesystemen. Dankzij het plasmadispersie-effect hebben dergelijke apparaten de afgelopen 25 jaar opmerkelijke vooruitgang geboekt, waardoor de gegevensoverdrachtssnelheden met drie ordegrootten zijn toegenomen. Moderne op silicium gebaseerde modulatoren kunnen 4-niveau pulsamplitudemodulatie (PAM4) bereiken tot 224 Gb/s, en zelfs meer dan 300 Gb/s met PAM8-modulatie.
Modulatoren op basis van silicium kampen echter met fundamentele beperkingen die voortvloeien uit materiaaleigenschappen. Wanneer optische transceivers baudrates van meer dan 200 Gbaud vereisen, is de bandbreedte van deze apparaten moeilijk te voldoen aan de vraag. Deze beperking komt voort uit de inherente eigenschappen van silicium: de afweging tussen het vermijden van overmatig lichtverlies en het behouden van voldoende geleidbaarheid brengt onvermijdelijke compromissen met zich mee.
Opkomende modulatortechnologie en -materialen
De beperkingen van traditionele siliciummodulatoren hebben geleid tot onderzoek naar alternatieve materialen en integratietechnologieën. Dunnefilmlithiumniobaat is een van de meest veelbelovende platforms geworden voor een nieuwe generatie modulatoren.Dunnefilm lithium niobaat elektro-optische modulatorenerven de uitstekende eigenschappen van bulk lithium niobaat, waaronder: breed transparant venster, grote elektro-optische coëfficiënt (r33 = 31 pm/V) lineaire cel Kerrs-effect kan werken in meerdere golflengtebereiken
Recente ontwikkelingen in dunnefilmlithiumniobaattechnologie hebben opmerkelijke resultaten opgeleverd, waaronder een modulator die werkt op 260 Gbaud met datasnelheden van 1,96 TB/s per kanaal. Het platform biedt unieke voordelen zoals een CMOS-compatibele aandrijfspanning en een bandbreedte van 3 dB bij 100 GHz.
Toepassing van opkomende technologie
De ontwikkeling van elektro-optische modulatoren is nauw verbonden met nieuwe toepassingen in vele sectoren. Op het gebied van kunstmatige intelligentie en datacenters.hogesnelheidsmodulatorenZijn belangrijk voor de volgende generatie interconnecties, en AI-computertoepassingen stimuleren de vraag naar 800G en 1.6T pluggable transceivers. Modulatortechnologie wordt ook toegepast op: kwantuminformatieverwerking, neuromorfisch computergebruik, frequentiegemoduleerde continue golf (FMCW), lidar, microgolffotontechnologie.
Met name dunnefilm-lithiumniobaat elektro-optische modulatoren tonen hun kracht in optische rekenkundige verwerkingsengines en bieden snelle modulatie met een laag vermogen, wat machine learning en kunstmatige intelligentie (AI) versnelt. Dergelijke modulatoren kunnen ook bij lage temperaturen werken en zijn geschikt voor kwantumklassieke interfaces in supergeleidende lijnen.
De ontwikkeling van de volgende generatie elektro-optische modulatoren kent verschillende grote uitdagingen: Productiekosten en schaal: dunnefilm-lithiumniobaatmodulatoren zijn momenteel beperkt tot de productie van wafers van 150 mm, wat resulteert in hogere kosten. De industrie moet de wafergrootte vergroten en tegelijkertijd de uniformiteit en kwaliteit van de film behouden. Integratie en co-design: De succesvolle ontwikkeling vanhoogwaardige modulatorenVereist uitgebreide co-designmogelijkheden, waarbij de samenwerking vereist is van ontwerpers van opto-elektronica en elektronische chips, EDA-leveranciers, founts en verpakkingsexperts. Complexiteit van de productie: Hoewel opto-elektronische processen op basis van silicium minder complex zijn dan geavanceerde CMOS-elektronica, vereist het bereiken van stabiele prestaties en opbrengsten aanzienlijke expertise en optimalisatie van het productieproces.
Door de bloei van AI en geopolitieke factoren investeren overheden, de industrie en de particuliere sector wereldwijd steeds meer in dit vakgebied. Hierdoor ontstaan er nieuwe kansen voor samenwerking tussen de academische wereld en de industrie, met als belofte de innovatie te versnellen.
Plaatsingstijd: 30-12-2024